磁电阻传感器原理、发展及应用

近年来，随着各种物理效应在磁场测量中的应用，各种磁传感的方法已经逐渐趋于完善，而根据不同测量方法，各类磁传感器也应运而生。从霍尔效应磁传感器、磁通门磁传感器、磁电阻传感器到光泵磁强计和超导量子干涉器件(SQUID)，磁传感器技术不断的向前发展。

磁传感器技术发展历程

伴随着科技进步和信息技术的发展，除了灵敏度之外，人们也对磁传感器的尺寸、稳定性、 功耗、制备工艺的简单化等提出了越来越高的要求。基于磁电阻效应的传感器因其具备高灵敏度、功耗低、体积小、加工技术成熟等优点正在越来越大规模的使用。其中，基于各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻 (GMR)及隧道磁电阻(TMR)效应制备的磁电阻传感器因其饱和磁场较低、单位磁场灵敏度高、 温度特性稳定等优点，目前已被广泛用于生产应用中。特别是TMR磁传感器，拥有小型化、低成本、低功耗、高集成性、高响应频率和高灵敏度特性，使其成为未来竞争的制高点。

 William Thomson

磁电阻效应是对于一些磁性材料，当施加外磁场时，材料的电阻会发生变化的效应。这种磁电阻效应第一次由 William Thomson 于 1857 年在铁样品中发现。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关，此效应即被称为各向异性磁电阻 (AMR)效应。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。

具体来说，当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低。磁场作用效果下图。

AMR原理图

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的弱磁场测量，制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。

Peter Grünberg（2007年诺贝尔物理学奖获得者）

1988年，Grunberg和Baibich等人通过分子束外延的方法制备了 Fe/Cr 多层膜，并在其中首次发现了磁阻变化率达到50%以上。通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍。这种巨大的磁电阻变化效应被称为巨磁电阻(GMR)效应。

GMR效应来源于载流电子在不同的自旋状态下与磁场的作用不同导致的电阻变化。GMR由铁磁— 非磁性金属—铁磁多层膜交叠组成，如下图。上下两侧是磁性材料薄膜层，中间是非磁性材料薄膜层，两层磁性材料的磁化方向相同。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

GMR结构图

目前，GMR器件已广泛应用于传感器、磁存储等领域。特别的，巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上。1994年，IBM公司研制成功了巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍，从而使得磁盘在与光盘的竞争中重新回到领先地位，巨磁阻技术已经成为几乎所有计算机、数码相机和MP3播放器等的标准技术。利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器（MRAM），其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

除此之外，基于其高灵敏度，巨磁阻效应还应用于微弱磁场探测器，该类传感器已经开始在生物医学领域进行测试，该传感器的灵敏度已经可以完全满足心磁信号的测量。除了高灵敏度，GMR/超导复合式磁传感器 同时具有较大的频带宽度。利用其优异的频带特性，该传感器有望应用于低场核磁共振(NMR)、核四级共振 (NQR)以及磁共振成像(MRI) 等共振信号测试领域。

作为一种新型的弱磁探测器，GMR/超导复合式磁传感器的磁场探测精度目前已经达到fT量级。若要进一步提升器件的磁场探测精度，就需要用灵敏度更高、性能更加优异的磁传感器代替 GMR。

1995年，美国麻省理工学院和日本东北大学的两个研究小组独立发现，将两个磁性电极层之间用极薄的绝缘层分开会产生很大的磁电阻效应(室温下达到11%)。这种由磁性层/绝缘层/磁性层构成的结构，称为磁性隧道结(MTJ)。在 MTJ 中，中间的绝缘层很薄(几个纳米)，使得可以有大量电子隧穿通过。通过隧道结的电流依赖于两个磁性层的磁化强度矢量的相对取向。这种隧穿电流随外磁场变化的效应被称为隧道磁电阻 (TMR)效应。

在量子力学中，隧道效应就是指粒子穿过势垒并出现在经典力学禁阻区域的过程。当一个电子通过由金属层／绝缘层／金属层构成的三明治薄膜，绝缘层就形成一个势垒很高的势阱。基于经典力学，电子不能穿过绝缘层，但在量子力学中，电子具有“波粒”二象性。这表明，基于隧道效应，电子能以一定的概率穿过绝缘层。如下图所示，势阱为图中的阴影部分。

粒子穿过势垒的示意图

TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件，具有2层强磁性体层（自由层/固定层）夹住1～2nm的薄绝缘体的势垒层的结构。固定层的磁化方向被固定，但自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变，元件的电阻也随之而变。当固定层与自由层的磁化方向平行时，电阻最小，势垒层流过大电流。另外，当磁化方向为反向平行时，电阻极端地变大，势垒层几乎没有电流流过，下图。

TMR原理(图左：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小，流过大电流。图右：当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大，只流过微弱的电流。)

过去的十几年中，TMR电阻变化率在被不断提高。例如 2005 年，Djayaprawira 等人得到了 230%的基于氧化镁绝缘层的 TMR 磁电阻变化率 。不久之后，日立及IBM两家公司分别报导 了350%的TMR变化率 。2006年，日立公司又报导了磁阻变化率为 472%的TMR材料。与此同时，理论工作表明，对于氧化镁基的TMR材料，其磁电阻变化率可达1000%。

电阻因外部磁场而变的磁阻效应的原理，在1980年代以后，经历了AMR(各向异性磁阻效应)元件、GMR(巨磁阻效应)元件、TMR(隧道磁阻效应)元件，技术逐渐进步。各种元件的结构如下图所示。

AMR、GMR和TMR的结构对比

下表列出了AMR器件、GMR器件以及TMR器件的典型技术参数对比。可以看出，相比AMR和GMR 来说，TMR具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗，以及更宽的线性范围。

由TMR材料制成各种高灵敏度磁传感器，用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。此类传感器具有体积小、可靠性高、响应范围宽等优势，能满足应对自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术等方面越来越苛刻的要求。基于TMR技术制成的传感器有以下特点:

1、高灵敏度——被检测信号的强度越来越弱,需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

(1)电流传感器:需要检测到nA级别的电流,即使加上聚磁环,也需要磁性传感器本身的检测精度达到nT的水平；

(2)角度传感器:<0.01的分辨率；

(3)齿轮传感器:齿轮的精细化以及传感器到齿轮的间距的最大化,导致磁性信号变得非常微弱；

(4)太空环境测量:分辨率<0.015nT；

(5)基于磁性异常检测的海洋布防等:<0.02pT的检测分辨率。

智能手机摄像头中，利用TMR实现VCM的闭环精确控制（包括Sensor Shift方案等的苹果全系手机摄像头均采用TMR方案）

2、温度稳定性——更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷,这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性,行业应用包括汽车电子行业。

(1)汽车电子行业:从滴水成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都必须工作；

(2)智能电网:可以迎接百年一遇的寒冷,也能坚守在发热严重的封闭体内；

(3)航空航天领域:在有保护的情况下,工作温度的跨度也是非常大的。

3、高频特性——随着应用领域的推广,要求传感器的工作频率越来越高,应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

(1)水表:可以检测到0.0001m³的即时流量(> 10 kHz)；

(2)汽车电子行业:部件的精密控制,要求信号的频率越来越高(> 200 kHz)；

(3)信息记录行业:要求数据传输率 > 1 GHz。

4、低功耗——很多领域要求传感器本身的功耗极低,得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片,指南针等等。

(1)植入身体内磁性生物芯片；

(2)使用电池供电的水表/气表,以及微功耗智能电表；

(3)室外/野外磁性传感器(磁性异常检测仪、电子指南针、手持式磁场探测仪等)；

(4)航空航天用磁性传感器。

5、抗干扰性——很多领域里传感器的使用环境没有任何评比,就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括电子罗盘、金融磁头等。

(1)电子罗盘:大多数电路板产生的杂散磁场为地磁场的50倍以上;

(2)金融磁头:内部的各种电机产生的磁场的强度为磁性油墨磁场的50倍以上;

(3)POS机磁头:手机信号的磁场为磁头磁场的5倍以上;

(4)水表、气表等;

(5)汽车电子:发动机、运动部件以及各种电线产生磁场的可以在10 Gs以上。

6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,这就需要芯片级的集成,模块级集成,产品级集成。

(1)芯片级的集成:传感器 + ASIC数字式输出、标准化输出；

(2)模块级集成:芯片 + 外部磁铁 + 模具 + 电路基本功能的实现；

(3)产品级集成:模块 + 产品功能化、智能化。

电流传感器集成化

磁电阻/超导复合式磁传感器作为一种新型的高灵敏度磁探测器，其探测精度目前已接近 SQUID器件并已达到fT量级。同时这类传感器又具有体积小、结构简单、工艺成熟、便于大规模生产等优势，使其在未来发展潜力巨大。在重复性、迟滞性和线性度比较下，可见TMR传感器的线性特性远远超越了其他磁传感器。其具有的测量范围宽、灵敏度高、温度稳定性好、非线性度好和体积小等优点，将会使其在测量系统中有很好的应用前景，具有很大的市场空间。根据yole的统计，当前，磁传感器市场规模已经达到了约25亿美金。作为最新一代高性能磁传感器，TMR正在各细分领域高速渗透。

代表性的TMR芯片及传感器提供商包括：

TDK

TDK是全球最大的TMR磁性传感器供应商，具有10多年TMR设计和批量制造经验，拥有从薄膜到封装的完整工艺和多样化的磁性传感器组合，是一家以磁性技术引领世界的综合电子元件制造商。TDK从90年代开始在开发磁阻技术，其TMR核心产品矩阵包括电流传感器、角度传感器、磁编码器等。

多维科技

多维科技 2010 年成立于张家港，是国际领先的磁传感器供应商，全国唯一量产TMR 芯片，拥有世界领先的AMR/GMR/TMR磁阻传感器芯片IDM产线，拥有庞大成熟的磁传感器芯片及模组产品矩阵，产品在工业、电网、消费和汽车领域得到广泛应用。公司核心团队拥有数十年磁传感器设计、工艺、材料、设备和量产经验，拥有 400 余项 TMR发明和应用专利。

本文依据以下参考资料整理而成：

[1]伍岳, 肖立业, 侯世中. 磁电阻/超导复合式磁传感器:原理及发展[J]. 物理, 2019, 48(01):19-26.

[2]杨敏, 王凤森, 黄险峰. GMR传感器和TMR传感器的性能对比[J]. 国外电子测量技术, 2019, 038(001):127-131.

[3]TDK公司官网，

https://product.tdk.com.cn/zh/techlibrary/productoverview/tmr-angle-sensors.html

[4]维基百科词条，磁传感技术，巨磁电阻效应 (GMR)，和隧道磁电阻效应(TMR)等。